La plus grande leçon de la théorie générale de la relativité d'Einstein est que l'espace lui-même n'est pas une entité plate, immuable et absolue. Il est tissé avec le temps en un seul tissu: l'espace-temps. Ce tissu est continu, lisse et se plie et se déforme en présence de matière et d'énergie. Tout ce qui existe dans cet espace-temps se déplace le long d'un chemin déterminé par la courbure de l'espace-temps, et son mouvement est limité par la vitesse de la lumière. Mais que faire s'il y a des défauts dans le tissu lui-même? Ce n'est pas de la science-fiction, mais une idée réellement existante en physique théorique. Des reliques à haute énergie comme des murs de domaine, des cordes cosmiques et des monopôles sont associées. Ethan Siegel de Medium.com a tenté de répondre à la question de savoir quelle était leur origine, leurs propriétés et comment ils s'entendraient avec l'univers ordinaire.
Il s'est avéré qu'obtenir un Univers défectueux n'est pas si difficile mathématiquement.
Le comportement gravitationnel de la Terre en orbite n'est pas dû à une gravitation gravitationnelle invisible, mais est mieux décrit par la chute libre de la Terre à travers l'espace courbe en présence du Soleil. Même dans ce cas, la courbure de l'espace sera trop petite et il n'y aura pas de défauts.
Essayez de représenter l'espace du mieux que vous pouvez. À quoi cela ressemble-t-il? Sera-t-il vide, lisse et surtout uniforme? Pensez-vous également que les seuls écarts par rapport à cet état seront associés à la présence de masses et de quanta d'énergie? C'est une bonne approche que les physiciens adoptent généralement. À grande échelle, l'espace sera une grille tridimensionnelle, les seuls écarts dans lesquels seront de petites régions de courbure spatiale de petite ampleur, créant la force gravitationnelle que nous connaissons bien. L'espace dans cette configuration sera dans l'état de moindre énergie.
Le tissu des ondulations et des déformations spatio-temporelles dues à la masse. Pour autant que nous le sachions, l'espace ne se replie jamais sur lui-même et ne se replie jamais.
Mais qu'en est-il des états excités? Ou d'autres? Pour vous faciliter la tâche, soustrayons deux dimensions spatiales et laissons-en une: la ligne. La ligne peut être droite, ouverte et sans fin, ou fermée, comme une boucle. Dans les deux cas, ce seront les lignes à l'état d'énergie le plus bas. À quoi ressemblerait un état de haute énergie? Imaginez prendre votre ligne et la suspendre comme une ficelle. Faites maintenant un nœud sur la ficelle, comme si vous nouiez des lacets. Une corde sans nœud représentera un espace unidimensionnel dans l'état d'énergie le plus bas; une corde avec un nœud représentera un espace unidimensionnel dans le premier état excité. Ce nœud sera un défaut topologique de dimension 0.
Vous pouvez maintenant faire des choses intéressantes avec la ligne contenant le nœud. Vous pouvez nouer un autre nœud de la même manière et obtenir deux défauts topologiques au lieu d'un. Mais si vous faites un nœud dans la direction opposée (c'est-à-dire, faites la même boucle, mais sinon traversez les extrémités avant de lancer et de serrer), ce nœud sera topologiquement opposé au nœud d'origine. Si vous alignez très soigneusement les deux nœuds (d'origine et opposés), il s'avère qu'ils peuvent se délier et ramener la ligne à un état de basse énergie.
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Deux types de ces effets de dimension zéro - noeud et anti-noeud - ont des analogies physiques dans notre univers: les monopôles magnétiques. Le nœud correspond à un pôle nord magnétique isolé; anti-nœud au pôle magnétique sud isolé. Si vous les combinez, ils s'annihilent, comme la matière et l'antimatière, et ramènent le tissu de l'espace-temps à un état de basse énergie. Puisque les monopôles ne sont que des particules ponctuelles, ils se comporteront comme de la matière ordinaire, pas très différents des monopôles électriques (charges électriques positives et négatives) qui existent dans notre univers.
Le concept d'un monopôle magnétique émettant des lignes de champ magnétique de la même manière qu'une charge électrique isolée émettrait des lignes de champ électrique
Revenons donc à notre univers 3D. Vous pouvez désormais imaginer non seulement des défauts localisés, mais aussi des défauts de grande dimension:
- Cordes cosmiques: lorsqu'une ligne unidimensionnelle imprègne en quelque sorte tout l'univers observable
- Murs de domaine: lorsqu'un plan bidimensionnel avec des propriétés différentes d'un côté à l'autre traverse l'univers
- Textures d'espace: lorsqu'une zone d'espace tridimensionnel est tordue en nœuds
Ainsi, nous avons des monopôles (0 dimension), des chaînes (1 dimension), des murs (2 dimensions) et des textures (3 dimensions) - toutes sortes de défauts qui résultent de différents mécanismes de la même classe: lorsque la symétrie est brisée.
Les différences entre les univers, l'un créé selon la cosmologie standard (à gauche) et l'autre créé avec un réseau important de défauts topologiques (à droite), donnent lieu à une variété de structures à grande échelle. Nos observations suffisent à exclure les chaînes cosmiques et les murs de domaine comme composant dominant de l'univers moderne.
La rupture de symétrie est une question sérieuse en physique. Chaque symétrie existante correspond à une valeur stockée, donc si la symétrie est rompue, cette valeur n'est plus stockée. Les monopoles peuvent être produits en brisant la symétrie sphérique; les cordes peuvent être produites en cassant la symétrie angulaire ou cylindrique; la violation de la symétrie discrète peut créer des murs de domaine. D'autres défauts sont un peu plus difficiles à trouver, mais ils entrent souvent en jeu lorsqu'il s'agit de scénarios aux dimensions supplémentaires. Mais les trois premiers - en particulier, les monopôles, les cordes cosmiques et les murs de domaine - présentent un intérêt particulier pour la cosmologie.
Nous savons que tout n'est pas limité par le modèle standard et qu'il existe de nombreuses extensions et ajouts qui peuvent avoir des conséquences observables intéressantes. L'une d'elles est l'idée de la Grande Unification, lorsque des forces nucléaires électromagnétiques, faibles et fortes se combinent à des énergies élevées. L'idée derrière l'unification est que les trois forces du modèle standard, et peut-être même la gravité à haute énergie, pourraient être combinées en une seule structure. Cela conduirait non seulement à l'émergence de nouvelles particules et interactions, mais permettrait également l'émergence de monopôles magnétiques. Le manque de monopôles magnétiques dans l'Univers observable est souvent cité comme preuve de l'inflation cosmique et que l'Univers ne chauffera jamais assez après la fin de l'inflation pour restaurer la symétrie des Théories de la Grande Unification.
Si la symétrie qui assure la Grande Unification était brisée, un nombre colossal de monopôles magnétiques apparaîtrait. Mais ils ne sont pas dans notre Univers; si l'inflation cosmique avait lieu après la rupture de cette symétrie, au moins un monopole devrait rester dans l'univers observable
Des chaînes cosmiques et des murs de domaine pourraient apparaître lors des transitions de phase, si elles existaient réellement, peu après la fin de l'inflation. Il peut y avoir des symétries à très haute énergie formées dans les premiers temps, lorsqu'elles sont brisées, de tels défauts apparaissent. Les chaînes cosmiques et les murs de domaine - un ou un réseau entier - devraient laisser une signature dans la structure à grande échelle de l'univers, des textures apparaîtront dans le CMB et des monopôles devraient être créés par des expériences directes. Certains physiciens pointent le monopole magnétique découvert le 14 février 1982, comme preuve de l'inflation cosmique: il y avait un monopole dans l'univers observable, et nous l'avons vu!
En 1982, une expérience menée par Blas Cabrera, armé de huit tours de fil, a enregistré une modification du flux de huit magnétons: des lectures indiquant un monopôle magnétique. Malheureusement, au moment de la découverte, personne n'était à proximité et personne n'a pu reproduire le résultat, ainsi que trouver un autre monopole
Et si les monopôles se comportent comme de la matière, les cordes cosmiques, les murs de domaine ou les textures cosmologiques affecteront sérieusement l'expansion de l'Univers. Les cordes cosmiques se comporteront comme une courbure spatiale, limitée à environ 0,4% de la densité d'énergie totale, et les murs de domaine créeront une forme d'énergie sombre qui accélère l'expansion de l'univers si lentement qu'elle ne sera même pas perceptible. Les textures cosmologiques auront le même effet que la constante cosmologique, mais notre Univers observable devra se limiter à un seul défaut pour expliquer nos observations.
Différents composants de la densité d'énergie de l'Univers et quand ils pourraient se manifester en pleine force. Si des cordes cosmiques ou des murs de domaine existaient en quelque quantité que ce soit, ils affecteraient sérieusement l'expansion de notre univers.
Les monopoles, cordes, murs, textures et autres défauts devraient être super lourds s'ils existaient. Les monopoles seraient les particules les plus massives jamais découvertes (100 billions de fois plus massives qu'un quark top). Les cordes, les murs et les textures deviendraient des graines pour des structures à grande échelle, rassemblant des matériaux et formant d'autres structures que nous pouvons facilement voir avec des télescopes modernes, des sondages et des données CMB. Les contraintes actuelles nous disent que de telles structures n'existent pas en abondance et qu'elles ne représenteraient guère plus de quelques pour cent du budget énergétique total de l'espace.
À ce jour, rien ne prouve que notre univers soit défectueux, à part cette seule observation d'un monopole magnétique il y a 35 ans. Bien que nous ne puissions pas réfuter leur existence (seule limite), nous devons garder nos oreilles au top et être préparés non seulement pour leur détection éventuelle, mais aussi pour tout autre ajout au modèle standard qui ne soit pas interdit par la physique. Dans la plupart des cas, s'ils n'existent pas, alors il doit y avoir quelque chose qui supprime leur existence. Le manque de preuves n'indique pas l'absence du phénomène. Cependant, la disponibilité aussi.
Ilya Khel
